論船體主船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干問題

李搏

摘 要：在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，必須要考慮到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、施工流程以及船體制造的相關(guān)廠家的規(guī)律進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅能夠有效的確保船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還能夠保證生產(chǎn)需求得到滿足，符合相應(yīng)的規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中需要根據(jù)船體的使用需求，詳細(xì)的了解情況，制定科學(xué)、合理的計(jì)劃方案。本文對(duì)船體主船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干問題進(jìn)行探討分析。

關(guān)鍵詞：船體；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題分析

概述

在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮其實(shí)用性能，在使船體結(jié)構(gòu)安全性得到保證的前提下使船體外觀變得更加美觀。在船體的設(shè)計(jì)理念中，穩(wěn)定性處于基礎(chǔ)地位，船只結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與相關(guān)力學(xué)條件符合。運(yùn)用實(shí)際的航海定律，充分考慮水位與天氣因素所造成的影響，使船體結(jié)構(gòu)的承重性能得到充分保障，在設(shè)計(jì)船體外部形態(tài)的過程中，應(yīng)當(dāng)滿足航行動(dòng)力的相關(guān)要求。為了保證設(shè)計(jì)工作的科學(xué)性與合理性，應(yīng)當(dāng)做好相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的積累與總結(jié)工作，運(yùn)用科學(xué)的方式方法進(jìn)行構(gòu)思與計(jì)算。關(guān)于船體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的要求方面，指的是建造技術(shù)水平應(yīng)當(dāng)與設(shè)計(jì)條件相適應(yīng)，在建造的過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)設(shè)計(jì)參考材料的具體功能進(jìn)行認(rèn)真考慮。在設(shè)計(jì)船體時(shí)，預(yù)估因素與使用因素占據(jù)非常重要的位置。從安全性這一角度出發(fā)，船體設(shè)計(jì)的根本要求就是其實(shí)用性。從所投入使用結(jié)算成本的角度出發(fā)，作為設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的預(yù)算情況，開展相關(guān)使用技術(shù)的改進(jìn)工作，確保實(shí)現(xiàn)安全與利益的最優(yōu)結(jié)合，認(rèn)真貫徹并落實(shí)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)的原則，最大限度地減少材料浪費(fèi)狀況的發(fā)生，在選擇所運(yùn)用的材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮并最大程度地運(yùn)用環(huán)保安全科學(xué)的材料。

一、縱、橫向主要構(gòu)件

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》規(guī)定：“主要構(gòu)件的布置，應(yīng)確保結(jié)構(gòu)的有效連續(xù)性，避免剖面或高度的突然變化?！号搩?nèi)的主要構(gòu)件應(yīng)構(gòu)成一個(gè)連續(xù)性的支撐，并盡可能構(gòu)成一個(gè)完整的環(huán)形框架。環(huán)形框架的接合處應(yīng)做成具有足夠半徑的圓角”。CSR則進(jìn)一步明確規(guī)定：“縱向構(gòu)件的布置應(yīng)確保強(qiáng)度的連續(xù)性。承受船體梁總縱強(qiáng)度的縱向構(gòu)件應(yīng)向船舶的端部連續(xù)延至足夠的距離。特別是，應(yīng)確保貨艙區(qū)域內(nèi)的縱艙壁包括垂直和水平主要支撐構(gòu)件連續(xù)延伸至貨艙區(qū)域以外”?！半p舷側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)通過在雙層殼體范圍內(nèi)設(shè)置強(qiáng)肋骨和舷側(cè)縱桁進(jìn)行全面加強(qiáng)。內(nèi)舷側(cè)結(jié)構(gòu)，包括縱桁，在貨艙區(qū)域內(nèi)應(yīng)保持連續(xù)，并延伸至貨艙區(qū)域外”。

為有效提高船體的總縱強(qiáng)度，散貨船的頂邊艙和底邊艙都是很強(qiáng)的三角形箱形結(jié)構(gòu)，并且還有一個(gè)很強(qiáng)的雙層底結(jié)構(gòu)及一個(gè)很強(qiáng)的甲板結(jié)構(gòu)。單殼體散貨船貨艙區(qū)域雙層底高度除要滿足總布置的要求外，還應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)一般干貨船的要求。散貨船雙層底結(jié)構(gòu)多為縱骨架式，在機(jī)艙區(qū)域，至少每隔1個(gè)肋位上應(yīng)設(shè)置實(shí)肋板，但在主機(jī)座、鍋爐座、推力軸承座下的每個(gè)肋位上均應(yīng)設(shè)置實(shí)肋板。橫艙壁下和支柱下應(yīng)設(shè)置實(shí)肋板。距首垂線0.2L以前區(qū)域應(yīng)在每隔1個(gè)肋位上設(shè)置實(shí)肋板，其余區(qū)域每隔3個(gè)或4個(gè)肋位設(shè)置1實(shí)肋板。CCS規(guī)定，實(shí)肋板的最大間距為3.60m。船體中線面處應(yīng)設(shè)有中桁材，但現(xiàn)代大型散貨船已廣泛應(yīng)用箱型中桁材代替中桁材。在中桁材的兩側(cè)要設(shè)置旁桁材，CSR規(guī)范規(guī)定：“相鄰桁材的間距一般應(yīng)不小于4.6m或船底或內(nèi)底普通扶強(qiáng)材的間距的5倍，取較小者”。當(dāng)有隔艙裝載時(shí)，一般每隔3～4個(gè)縱骨間距設(shè)置一旁桁材。另外，在中桁材和旁桁材以及管隧的側(cè)板上可設(shè)置縱向加強(qiáng)筋，以滿足穩(wěn)定性的需要。

二、底邊艙結(jié)構(gòu)

雙層底的內(nèi)底板與底邊艙的斜頂板之間的連接有直接焊接形式和圓弧形式兩種。當(dāng)為直接焊接時(shí)，旁桁材應(yīng)與斜頂板對(duì)齊，雙層底的內(nèi)底板伸出旁桁材不超過50mm，以便焊接。如果伸出太多將會(huì)影響底邊艙橫向框架的扇形補(bǔ)板在該處的安裝與焊接，對(duì)該處的節(jié)點(diǎn)連接不利。內(nèi)底板伸出的端部應(yīng)加工成圓形狀。構(gòu)件之間的連接必須焊透。當(dāng)采用圓弧形式時(shí)，旁桁材與內(nèi)底板和斜頂板的交點(diǎn)的距離約為50～70㎜。

貨艙區(qū)域內(nèi)底邊艙的斜頂板應(yīng)為縱骨架式，其底部和舷側(cè)一般也為縱骨架式，其舭部區(qū)域可為縱骨架式，也可為橫骨架式，但多數(shù)設(shè)計(jì)成橫骨架式。

底邊艙的斜頂板與內(nèi)底板之間的傾斜角一般在45°～50°之間。底邊艙內(nèi)在肋板處應(yīng)設(shè)有支持縱骨的橫向強(qiáng)框架，橫向強(qiáng)框架上開有較大的通道孔，開孔邊緣應(yīng)用扁鋼進(jìn)行加強(qiáng)。橫向強(qiáng)框架邊緣的加強(qiáng)扁鋼與縱骨之間一般均應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋，以提高橫向框架腹板的穩(wěn)定性?？v骨穿過橫向框架的開孔處應(yīng)設(shè)置補(bǔ)板，補(bǔ)板尺寸應(yīng)按規(guī)范要求。補(bǔ)板須與內(nèi)外底板、外板連接。

三、頂邊艙結(jié)構(gòu)

散貨船的頂邊艙由甲板板、斜底板、艙口縱桁和一部分舷側(cè)外板構(gòu)成。頂邊艙內(nèi)一般采用縱骨架式的結(jié)構(gòu)，橫向設(shè)有環(huán)形的強(qiáng)框架以支持縱骨。橫向強(qiáng)框架的間距應(yīng)不大于6個(gè)肋距，框架腹板的高度不小于縱骨高度的2倍，其結(jié)構(gòu)形式與底邊艙基本相似。橫向框架也可用開孔的板來代替。頂邊艙四周的板上全部設(shè)置縱骨，各個(gè)角上都安裝肘板，以增加節(jié)點(diǎn)處的剛性。

四、箱形中桁材

散貨船在雙層底中線面處可設(shè)置箱形中桁材，代替一般的中桁材。箱形中桁材包括兩道平行的水密側(cè)板（底縱桁）和內(nèi)、外底板、骨材等。

這是一道沿船長方向水密的內(nèi)部通道，通常從防撞艙壁通向機(jī)艙前端壁。箱形中桁材主要用于集中布置管系，避免管子穿過貨艙而妨礙裝貨。機(jī)艙前端壁開有水密裝置的人孔便于人員進(jìn)入箱形中桁材內(nèi)檢查。此外，箱形中桁材應(yīng)設(shè)通向露天甲板的應(yīng)急出口。機(jī)艙及其后面的艙內(nèi)可不設(shè)置箱形中桁材，因?yàn)楣芟悼刹贾迷跈C(jī)艙的雙層底上面和軸隧內(nèi)。

箱形中桁材的側(cè)板的厚度應(yīng)不小于水密肋板的厚度。為保證船舶進(jìn)塢時(shí)底縱桁能擱置在墩木上，兩側(cè)板的距離不大于2m。為了補(bǔ)償橫向強(qiáng)度的削弱，箱形中桁材區(qū)域的船底板和內(nèi)底板應(yīng)適當(dāng)增厚。箱形中桁材內(nèi)不設(shè)置肋板，而設(shè)置橫向骨架。橫向骨架的結(jié)構(gòu)形式一般有兩種：一種是環(huán)形框架形式，另一種是船底橫骨和外底橫骨形式。橫骨架式結(jié)構(gòu)箱形中桁材的每個(gè)肋位上應(yīng)設(shè)環(huán)形框架或船底橫骨和內(nèi)底橫骨。橫骨的跨度中央設(shè)間斷的縱向骨材?？v骨架式結(jié)構(gòu)箱形中桁材在每檔主肋板處設(shè)置環(huán)形框架或內(nèi)、外底橫骨。船底橫骨和內(nèi)底橫骨的兩端應(yīng)逐漸放大，與箱形中桁材側(cè)板連接，其放大后的高度和長度應(yīng)不小于骨材高度的1.5倍。同時(shí)側(cè)板外側(cè)無肋板的肋位上，應(yīng)設(shè)置與實(shí)肋板等厚的肘板，并與船底和內(nèi)底縱骨連接。箱形中桁材端部與中桁材的銜接處，至少應(yīng)有不小于3個(gè)肋距的相互交叉過渡區(qū)，以保證結(jié)構(gòu)縱向的連續(xù)性。

五、有關(guān)構(gòu)件的連接、連續(xù)

“在船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域處，構(gòu)件連接部位的應(yīng)力集中是產(chǎn)生船體結(jié)構(gòu)疲勞損壞的主要因素”。因此，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意構(gòu)件連接部位的設(shè)計(jì)，并通過疲勞強(qiáng)度校核，改進(jìn)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以保證船體結(jié)構(gòu)中受交變載荷作用的構(gòu)件有足夠的疲勞壽命。

（1）單殼體散貨船貨艙舷側(cè)通常采用橫骨架式，每個(gè)肋位設(shè)主肋骨，其上下兩端應(yīng)用肘板與底邊艙和頂邊艙相連接。且其理論線應(yīng)與艙內(nèi)有關(guān)構(gòu)件的理論線對(duì)齊。肘板的端部應(yīng)設(shè)計(jì)成軟趾，以減少結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中及疲勞積累損傷。肘板面板的削斜長度應(yīng)大于或等于2.5倍面板寬度。肋骨與肘板的連接可用對(duì)接也可用搭接的形式。用搭接形式時(shí)，搭接的長度應(yīng)大于或等于肋骨高度的1.25倍。

（2）縱向強(qiáng)構(gòu)件間斷后應(yīng)進(jìn)行有效的過渡，應(yīng)較好的考慮底邊艙、頂邊艙首、尾末端結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，確保主要縱向構(gòu)件的連續(xù)，避免剖面或高度的突然變化，使得構(gòu)件不連續(xù)而產(chǎn)生應(yīng)力集中。

當(dāng)構(gòu)件在艙壁或其他主要構(gòu)件的兩側(cè)對(duì)接時(shí)，應(yīng)保證其位置在同一條直線上。如在舷側(cè)縱桁與橫艙壁的連接處，應(yīng)設(shè)置連接肘板或采取其他等效措施。在舷側(cè)縱桁與強(qiáng)肋骨的連接處，應(yīng)使舷側(cè)縱桁的面板或折邊具有足夠的連續(xù)性，如甲板縱桁的端部與橫艙壁的連接應(yīng)按規(guī)范規(guī)定。對(duì)于參加總縱強(qiáng)度的甲板縱桁，應(yīng)特別注意其在橫艙壁處的結(jié)構(gòu)縱向連續(xù)性。

六、結(jié)束語

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程實(shí)際上是一個(gè)科學(xué)的研究、論證、優(yōu)化的過程。在滿足強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能地減少船體自重，提高載重能力。在選用船體構(gòu)件材料規(guī)格時(shí)，主要考慮經(jīng)濟(jì)性；在保證船體強(qiáng)度和使用要求下盡量減少船體結(jié)構(gòu)重量，以提高船舶的載重量。絕對(duì)不能盲目地追求超載狀態(tài)的所謂“船舶強(qiáng)度”，導(dǎo)致船體自重增加，船舶建造成本的提高，船舶航速降低，營運(yùn)收入減少，實(shí)際船體結(jié)構(gòu)也未達(dá)到加強(qiáng)的目的。

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